正交試驗(yàn)法在深孔爆破振動(dòng)優(yōu)化中的應(yīng)用

陳宏濤,程貴海,蒙海霖,曾朝偉,李昂昂,朱棟梁

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004)

在深孔爆破施工中，不可避免的會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生影響，例如：爆破飛石、爆破振動(dòng)、爆破產(chǎn)生的有害氣體和煙塵等?？變?nèi)的炸藥除了將能量作用在周?chē)膸r土之外，剩余的能量會(huì)以振動(dòng)波的形式向外部釋放，當(dāng)振動(dòng)波足夠大或者與其他炮孔產(chǎn)生的振動(dòng)波相互疊加，將會(huì)嚴(yán)重影響附近的居民樓或者重要建筑的結(jié)構(gòu)安全[1]。廣西某水利樞紐二線船閘工程位于柳州市柳江縣紅花村附近，該工程爆破最近地點(diǎn)距離當(dāng)?shù)孛穹坎蛔惆倜?。由于工程量大，時(shí)間緊迫，只有采取每日爆破的方式才能完成任務(wù)，因此爆破產(chǎn)生的振動(dòng)使得當(dāng)?shù)鼐用駬?dān)心房屋的安全，影響到施工單位與當(dāng)?shù)卮迕竦年P(guān)系。如何優(yōu)化與振動(dòng)相關(guān)的爆破參數(shù)進(jìn)而降低爆破振動(dòng)效益成為該工程亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者利用正交試驗(yàn)[2]進(jìn)行爆破參數(shù)的優(yōu)化分析，吳帥峰等[3]通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)確定在爆破振動(dòng)的作用下，混凝土齡期、振動(dòng)速度、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和振動(dòng)頻率對(duì)于新澆筑的混凝土強(qiáng)度的影響。向云武等[4]利用正交試驗(yàn)進(jìn)行深孔回采爆破設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的研究與分析之后，得出孔徑為57 mm，炮孔密集系數(shù)為1.25，孔底起爆的爆破方案，取得了良好的效果。饒運(yùn)章等[5]為改善礦山勞動(dòng)強(qiáng)度、生產(chǎn)效率以及安全條件等，通過(guò)正交試驗(yàn)分析抵抗線、孔排距、填塞長(zhǎng)度3個(gè)因素的最優(yōu)解，從而降低了爆破大塊率，改善了爆破效果。李杰等[6]通過(guò)正交試驗(yàn)定量分析孔距、抵抗線、超深、起爆位置對(duì)露天爆破作業(yè)經(jīng)濟(jì)成本的影響，以某路基工程爆破為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定了最優(yōu)方案。蘇靜等[7]利用正交試驗(yàn)法分析了不同爆破參數(shù)下的大塊率、粉礦率的影響因素，最后取得了良好的效果。

在本次工程爆破中，為了降低爆破振動(dòng)以及減弱對(duì)臨近建筑物的影響，采取正交試驗(yàn)法對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，找出最大單段藥量、排間延時(shí)、炮孔密集系數(shù)和起爆藥包位置的最佳組合。研究所取得的降低爆破振動(dòng)大小的成果，對(duì)該工程后續(xù)的爆破振動(dòng)控制具有參考作用。

1 地質(zhì)概況

工程區(qū)位于新華夏系構(gòu)造體系的穿山向斜、穿山斷裂和長(zhǎng)沙背斜、呈村斷裂之間，主構(gòu)造方向?yàn)楸睎|10°至30°，是本區(qū)占主導(dǎo)地位的構(gòu)造形跡，也是新華夏系體系中的第Ⅲ、Ⅳ序的第一級(jí)構(gòu)造，壩址區(qū)發(fā)育了一組相互平行的擠壓斷層帶，呈北東和北西方向雁行排列，伴生一組北西向發(fā)育的扭裂帶，形成“多”字型扭動(dòng)構(gòu)造的格局。壩址巖層產(chǎn)狀走向基本平行壩軸線，約北東20°至40°，傾向北西或南東，傾角變化大。

根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪、鉆孔巖芯及鉆孔電視錄像顯示，船閘區(qū)節(jié)理裂隙主要發(fā)育4組：①北西290°/南西或北東∠30°至60°，延伸3～5 m，渲染泥質(zhì)薄膜，局部有炭質(zhì)，方解石脈等物質(zhì)充填，與船閘區(qū)層間褶皺發(fā)育形成張性裂隙發(fā)育有關(guān)；②北西325°/北東或南西∠60°，傾角以陡傾為主，裂面多閉合或微張，局部有炭質(zhì)，方解石脈等物質(zhì)充填；③北東60°/南東∠15°至45°，延伸短小，一般小于3 m，閉合或微張，起伏粗糙為主；④節(jié)理為順層節(jié)理，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪未統(tǒng)計(jì)，但前期壩址勘察時(shí)統(tǒng)計(jì)為走向北東5°至15°，傾向北西或南東，傾角較陡，一般均大于45°，裂隙多閉合，較平直，無(wú)充填，延伸長(zhǎng)度大多在5 m以內(nèi)，少數(shù)達(dá)十余米。

2 影響爆破振動(dòng)大小的因素

影響爆破振動(dòng)大小的因素有很多，根據(jù)汪旭光編著的《爆破設(shè)計(jì)與施工》[1]以及一些學(xué)者和施工人員的研究、現(xiàn)場(chǎng)結(jié)論，有以下幾個(gè)因素。

1)孔距、排距。合理的孔、排距，能夠保證炸藥能量不會(huì)集中在一處釋放，使炸藥均勻的將能量釋放在被爆巖體中，從而避免集中瞬時(shí)爆炸產(chǎn)生巨大的振動(dòng)。一般工程要求炮孔密集系數(shù)大于1。

2)最大單段藥量。爆破振動(dòng)大小的主要影響因素之一是單段最大起爆藥量。李斌等[8]通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法得出最大單段藥量是影響淺埋隧道穩(wěn)定性的首要因素。一次爆破振動(dòng)的峰值大小往往取決于單段最大藥量，近幾年興起的毫秒延時(shí)爆破就是嚴(yán)格控制了單段的最大藥量，將一次起爆藥量分為間隔幾十毫秒的多段起爆藥量，減少了單段的最大藥量，從而減小了爆破振動(dòng)效應(yīng)。

3)延時(shí)時(shí)間間隔。多段毫秒延時(shí)起爆在段與段之間存在起爆時(shí)間間隔，目的是為了讓先爆炮孔與后爆炮孔所產(chǎn)生的振動(dòng)波的峰值錯(cuò)開(kāi)而不能疊加，進(jìn)而使得部分振動(dòng)波能量發(fā)生干涉從而抵消，達(dá)到削弱爆破振動(dòng)能量的目的。我國(guó)的一些爆破工程實(shí)踐表明：采用多段毫秒延時(shí)起爆相比齊發(fā)爆破起爆的平均減振率達(dá)到了50%。

延時(shí)時(shí)間除了孔間延時(shí)，還有排間延時(shí)。在相同總爆破藥量和傳播介質(zhì)條件下，排間延時(shí)越大，爆破振動(dòng)峰值越小，但是減振效率并不是隨著排間延時(shí)的增大而增加，一般延時(shí)時(shí)間大于2 s后，爆破振動(dòng)峰值速度降低得不明顯，相反爆破效果還會(huì)受到影響。

4)起爆藥包位置。雖然起爆藥包位置對(duì)于爆破振動(dòng)的影響在國(guó)內(nèi)研究不算太多，但結(jié)合龔敏等[9]對(duì)延長(zhǎng)藥包不同位置的起爆力場(chǎng)研究以及張丹[10]在起爆藥包空間分布對(duì)爆破地震強(qiáng)度分布的特征研究，以及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)可知，起爆藥包位置的不同，也會(huì)影響到爆破振動(dòng)峰值的大小。

3 爆破參數(shù)正交試驗(yàn)

3.1 因素選擇

結(jié)合廣西某水電站航道5～6 m深孔爆破實(shí)際情況，且保證試驗(yàn)的公平性，4個(gè)因素選擇為最大單段藥量、排間延時(shí)、炮孔密集系數(shù)、起爆藥包位置。因現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境復(fù)雜，該工程每日爆破任務(wù)規(guī)定了最大單段起爆藥量不超過(guò)33 kg，且為了取得較好的爆破效果，不能低于15 kg。排間延時(shí)水平取值根據(jù)張勤彬[11]的研究成果，通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析，提出了排間延時(shí)時(shí)間間隔為0、0.5、1、1.5 s，以減小爆破峰值大小。炮孔密集系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[1]的理論與該工程的實(shí)際情況，選取了0.85、1、1.15以及1.3。起爆位置取值依次從孔口至孔底，均分整個(gè)炮孔，每段長(zhǎng)1/3，避免因長(zhǎng)度不均而引起誤差。選取離爆破施工現(xiàn)場(chǎng)最近的民房為中心點(diǎn)，在距離該民房100～110 m范圍內(nèi)，且試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)土地介質(zhì)系數(shù)大致相同、同一高程的情況下進(jìn)行正交爆破試驗(yàn)。最大單段藥量單位為kg，正交代號(hào)為A,；排間延時(shí)單位為s，正交代號(hào)為B；炮孔密集系數(shù)正交代號(hào)為C，無(wú)單位；起爆藥包位置用起爆藥包距孔底的距離與整個(gè)炮孔長(zhǎng)度的比例(孔底為0，孔頂為1)表示，正交代號(hào)為D。為了讓數(shù)據(jù)有充分的科學(xué)代表性，4個(gè)因素均取4個(gè)水平(見(jiàn)表1)。

表1 各爆破參數(shù)正交試驗(yàn)因素水平

3.2 考核指標(biāo)

一般深孔爆破會(huì)產(chǎn)生爆破飛石、爆破有害氣體和爆破振動(dòng)等危害，在本工程中，由于爆破現(xiàn)場(chǎng)距最近民房的距離過(guò)近，爆破振動(dòng)是最主要的爆破危害，由反向起爆引起的爆破飛石因炮孔上方有覆蓋物防護(hù)，故不考慮其影響。所以試驗(yàn)采用爆破振動(dòng)速度峰值大小作為考核指標(biāo)。爆破振動(dòng)測(cè)試采用中科測(cè)控TC-4850爆破振動(dòng)測(cè)試儀，測(cè)點(diǎn)布置安裝在中心點(diǎn)民房地基上，具體儀器及現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

圖1 儀器及現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.1 Instrument and site situation

3.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理可以最大限度的減少試驗(yàn)次數(shù)，并且可以考慮盡可能多的因素，從而找到最佳的試驗(yàn)參數(shù)方案。因此，本次試驗(yàn)考察4種因素對(duì)爆破振動(dòng)大小的影響效果，每種因素取4個(gè)水平，因?yàn)椴贿M(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，故加入一列空白列作為誤差項(xiàng)，代號(hào)為E，適宜選用L16(45)正交表[12]進(jìn)行試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)利用電子數(shù)碼雷管進(jìn)行網(wǎng)路連接，因電子數(shù)碼雷管具有延時(shí)精度高，分段準(zhǔn)確等特點(diǎn)，故有利于減少有關(guān)試驗(yàn)誤差，按照此方案利用TC-4850爆破振動(dòng)測(cè)試儀監(jiān)測(cè)、采集各水平指標(biāo)的振動(dòng)大小，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 各爆破參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)極差分析。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。對(duì)各因素水平計(jì)算得到其總和K1、K2、K3、K4及其均值k1、k2、k3、k4。之后再計(jì)算極差R，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 極差分析

正交試驗(yàn)中，因素的極差值越大，表明其對(duì)試驗(yàn)的影響程度越高，反之則越低。從表3可知，最大單段藥量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大，其次是排間延時(shí)大小，接著為起爆藥包位置，相對(duì)于該工程的其他影響因素，炮孔密集系數(shù)的影響最小。

2)顯著性方差分析。對(duì)爆破試驗(yàn)所得的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，得到顯著性檢驗(yàn)方差分析數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4)。

表4 爆破振動(dòng)顯著性檢驗(yàn)方差分析

注：*為顯著，-為不顯著,/為無(wú)此項(xiàng)，F(xiàn)為離差均方與誤差均方的比值。

在極差分析中，極差值越大，表明因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大，顯著性方差分析中，當(dāng)F比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于F臨界值，則認(rèn)為因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大。從表3～表4可知，影響因素最大的是最大單段藥量，第二為排間延時(shí)，第三為起爆藥包位置，炮孔密集系數(shù)F比值沒(méi)有超過(guò)F臨界值，且極差值也最小，故為不重要的影響因素。

4 爆破最優(yōu)參數(shù)選擇及效果

4.1 最優(yōu)參數(shù)選擇

根據(jù)極差分析表，將每個(gè)因素的振動(dòng)速度均值作為縱坐標(biāo)，各因素水平作為橫坐標(biāo)，繪制因素-指標(biāo)直方圖(見(jiàn)圖2)。

注：橫坐標(biāo)為各因素水平及其正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)值。圖2 因素-指標(biāo)Fig.2 Factor-indicator

從圖2可以看出，要想降低爆破振動(dòng)峰值速度大小，則應(yīng)取最優(yōu)的爆破參數(shù)，即：最大單段藥量為15 kg，排間延時(shí)為1.5 s，炮孔密集系數(shù)為0.85，起爆藥包位置為孔底。在保證施工進(jìn)度的前提下，最大單段藥量越小越好。

4.2 效果分析

為了驗(yàn)證正交試驗(yàn)法得到的最優(yōu)的爆破參數(shù)，在距離爆源中心110 m的另一座民房地基上進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，結(jié)果是相比于優(yōu)化前，爆破振動(dòng)峰值得到了明顯的降低和控制。具體優(yōu)化前后的爆破參數(shù)及振動(dòng)峰值數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 優(yōu)化前后爆破參數(shù)與振速對(duì)比

優(yōu)化前爆破振動(dòng)大小與優(yōu)化后爆破振動(dòng)大小的差值比上優(yōu)化前爆破振動(dòng)大小稱(chēng)為降低率[13]，具體降振率公式為

(1)

所以本次優(yōu)化前后降振率為

通過(guò)降振率可知，優(yōu)化后的爆破振動(dòng)相對(duì)于優(yōu)化前的爆破振動(dòng)減小了25.87%，降振效果較為明顯，取得了良好的試驗(yàn)效果。

但是隨著后期觀察爆破效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，排間延時(shí)時(shí)間為1.5 s的爆破大塊率較高，增加了后期破碎巖石的成本，而排間延時(shí)時(shí)間為1.0 s時(shí)爆破效果較好，成本得到控制。故將上述最優(yōu)爆破參數(shù)中的排間延時(shí)時(shí)間改為1.0 s進(jìn)行爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，即最大單段藥量為15 kg，排間延時(shí)為1.0 s，炮孔密集系數(shù)為0.85，起爆藥包位置為孔底的爆破參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，爆破振動(dòng)為5.216 mm/s，減振率為23.10%，相比于排間延時(shí)時(shí)間為1.5 s的減振率小2.77%。

5 結(jié)語(yǔ)

1)利用正交試驗(yàn)法進(jìn)行爆破參數(shù)優(yōu)化，能有效地減少試驗(yàn)次數(shù)，減少工作量，縮短試驗(yàn)周期，還能保證數(shù)據(jù)的均衡性，并能得出較優(yōu)的爆破參數(shù)。

2)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表增加空白列，能排除試驗(yàn)結(jié)果是因?yàn)檎`差而引起的可能，使試驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)合理，可靠度更高。

3)極差分析法僅僅只是從直觀角度判斷因素的影響程度大小，運(yùn)用顯著性方差分析能夠更加科學(xué)的判斷因素是否對(duì)試驗(yàn)有顯著性影響。

4)考慮爆破振動(dòng)波的干涉疊加效應(yīng)，采用1.5 s大段間延時(shí)時(shí)間所產(chǎn)生爆破振動(dòng)效應(yīng)最小，降振率為25.87 %，但此時(shí)爆破效果較差。而選用排間延時(shí)為1.0 s，其他爆破參數(shù)不變的情況下，減振率為23.10%，減振率僅比排間延時(shí)為1.5 s時(shí)的減振率小2.77 %。結(jié)合爆破效果和成本控制來(lái)看，1.0 s大段間延期時(shí)間所產(chǎn)生的爆破振動(dòng)效應(yīng)及爆破效果均能滿足要求，故取1.0 s為大段間延時(shí)時(shí)間。

5)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合爆破效果和成本，爆破參數(shù)最后選取為：最大單段藥量15 kg，排間延時(shí)為1.0 s，炮孔密集系數(shù)為0.85，起爆藥包位置為孔底起爆。